The production of bioethanol from microalgal biomass was studied. The whole process was comprised of two steps. In the first step, harvested Nannochloropsis oceanica cell mass was hydrolyzed by using an acid. In the second step, ethanol was produced by a recombinant Streptomyces lividans TK24 from the hydrolysate. In the preliminary study, the acid hydrolysate was found to contain 7 different sugars of glucose, galactose, xylose, rhamnose, mannose, ribose, and fucose with negligible amount of toxic compounds that inhibit microbial activity. Among three acids of HNO3, HCl, and H2SO4 tested for the hydrolysis of microalgal biomass, HNO3 was found to be most effective and thus selected for the subsequent experimental work. To optimize the hydrolysis conditions, effects of acid concentration and reaction temperature on hydrolysis were investigated. The highest sugar yield of 78 % was obtained at 90 min when the acid concentration and the reaction temperature were 2N and 90oC, respectively. A S. lividans TK24 strain transformed with the pyruvate decarboxylase (pdc) and alcohol dehydrogenase Ⅱ (adhⅡ) genes was used for ethanol fermentation. It could metabolize various carbon sources including above-mentioned sugars contained in the microalgal hydrolysate except for fucose. When a simulated acid hydrolysate containing in g/L glucose 10, galactose 8, xylose 3, rhamnose 1, mannose 5 and ribose 3 (30 g/L in total), 5.1 g/L of ethanol was produced.
본 연구에서는 미세조류 바이오매스로부터 바이오에탄올을 생산하는 공정에 관하여 연구하였다. 전체 공정은 두 단계로 구성되어 있으며, 첫 번째 단계에서는 산 촉매를 이용하여 Nannochloropsis oceanica를 분해하는 공정에 관해 연구하였다. 두 번째 단계에서는 recombinant Streptomyces lividans TK24를 이용하여 미세조류 당화물로부터 에탄올을 생산하는 공정에 관한 연구이다. 기초실험을 한 결과 미세조류 당화액내에는 글루코즈, 갈락토오즈, 자일로오즈, 람노오즈, 맘노오즈, 라이보오즈, 퓨코오즈와 같은 7가지 종류의 당들이 검출 되었고, 그 밖에 독성물질들도 존재 하였으나 매우 적은 양으로 미생물 활성에 영향을 주지 않을 정도였다. 황산, 염산, 질산등의 세 종류의 산을 이용하여 미세조류 산 분해 실험을 행한 결과, 질산이 가장 효율이 높았으며, 후속 실험을 위해 질산을 산 촉매로 선정하였다. 미세조류 산 분해 조건을 최적화하기 위하여 산 농도와 반응 온도의 영향을 알아 보았다. 반응온도 90oC에서 90분 동안 질산 2N을 이용하여 산 분해하였을 때, 가장 높은 당 수율 수율인 78%를 얻을 수 있었다. pyruvate decarboxylase (pdc) 와 alcohol dehydrogenaseⅡ (adhⅡ) 유전자를 pUWL201PW 벡터에 삽입하여 유전자 재조합한 S. lividans TK24를 이용하여 에탄올 발효를 행하였다. 이 균주는 위에서 언급하였던 당 중 퓨코오즈를 재외하고, 미세조류 당화액 내에 존재하는 나머지 다양한 종류의 당을 이용할 수 있다. 모사 당화액 내에는 글루코오즈 10g/L, 갈락토오즈 8g/L, 자일로오즈 3g/L, 람노오즈 1g/L, 맘노오즈 5g/L 와 라이보오즈 3g/L (총 30g/L)의 당이 존재하였으며, 이를 이용하여 5.1g/L의 에탄올을 생산하였다.
